Энергосбережение средствами реактивного регулируемого электропривода

УДК 621.333

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ СРЕДСТВАМИ РЕАКТИВНОГО РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

, ,

Россия, Санкт-Петербург, Институт химии силикатов РАН

Россия, Санкт-Петербург, Институт химии силикатов РАН,

ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

В докладе обоснованы преимущества перехода подвижного состава городского электротранспорта на новый, более прогрессивный тяговый реактивный регулируемый привод. Принципы блочно-модульного проектирования позволяют сохранить установочно-присоединительные размеры применяемых асинхронных двигателей и минимизировать производственные и финансовые затраты. При использовании реактивного регулируемого привода обеспечивается энергосбережения не только за счет более высокого КПД привода, но и за счет снижения затрат на его производство.

Ключевые слова: вентильно-индукторный электродвигатель, тяговый привод, метро, троллейбус, блочно-модульное проектирование, энергосбережение

Современная тенденция энергосбережения во многих отраслях промышленности обусловила переход на технологии регулируемого электропривода, дающие заметный выигрыш как в энергосбережении, так и в весогабаритных показателях привода. Наряду с традиционным путем перехода – использованием частотно-регулируемого асинхронного электропривода – существует альтернатива в виде применения регулируемого реактивного электропривода (Switched Reluctance Drive, SRD). Перспективы применения реактивного регулируемого электропривода (РРП) на базе вентильно-индукторного двигателя (ВИД), несмотря на оптимистические оценки [1, 2], в нашей стране по-прежнему остаются нереализованными.

Лидером среди электротехнических фирм мира, занятых серийным выпуском ВИД, сегодня является японская компания Nidec Motor Corporation (NMC), которая приобрела американскую фирму Emerson Motor вместе с ее дочерними предприятиями, стоявшими у истоков производства вентильно-индукторного привода [3]. В настоящее время корпорация NMC выпускает различные промышленные ВИД, в том числе и по стандарту NEMA на базовые частоты вращения 1000, 1800, 3600 и 4500 мин-1 мощностью 20–420 л. с.

В России для транспорта Новочеркасским электровозостроительным заводом (НЭВЗ) были изготовлены макетные образцы тяговых ВИД разных мощностей: 340 кВт – для безредукторного привода тепловоза с силовым преобразователем на тиристорах; 720 кВт – для привода тягового агрегата с силовым преобразователем на тиристорах; 350 кВт (тяговый двигатель НТИ-350) – для привода электропоезда на транзисторных IGBT-модулях производства фирмы Hitachi (Япония). Малым предприятием «Эмертон» в 2008 г. разработан комплект тягового вентильно-индукторного привода для двухосного троллейбуса мощностью 180 кВт [4].

Реактивный регулируемый привод (РРП) состоит из специальной электрической машины – вентильно-индукторного двигателя, электронного коммутатора на силовых транзисторных модулях, блока микропроцессорного управления и датчика положения ротора. Принципиальные преимущества РРП: высокие энергетические показатели и технологичность, низкая трудоемкость изготовления и себестоимость электродвигателя; более простые и надежные схема и конструкция силового коммутатора по сравнению с преобразователем частоты для асинхронного привода за счет однополярной коммутации; функциональные возможности для работы в широком диапазоне регулирования частоты вращения и для реализации больших моментов в зоне низких скоростей. Кроме того, ВИД имеет естественную механическую характеристику как двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, что дает дополнительное преимущество при применении в тяговом электроприводе, для которого такая форма характеристики является оптимальной.

Известны недостатки ВИД: невозможность работы без электронного преобразователя и неприменимость теория вращающегося магнитного поля и хорошо разработанных на ее основе методов расчета вращающихся электрических машин. Многочисленными исследованиями второй недостаток практически преодолен. В России можно отметить коллективы МЭИ, ВЭлНИИ, ЮРГТУ, НИИэлектромаш и др., которые обладают необходимым потенциалом для создания РРП. Разработаны также алгоритмы управления, существенно снизившие пульсации электромагнитного момента.

Авторы считают весьма перспективными РРП для тягового привода городского транспорта и, обладая собственными алгоритмами и программами расчета, базирующимися на технологиях EXCEL, ELCUT и MATLAB, провели разработку тяговых вентильно-индукторных двигателей троллейбуса – ВИД-180-1485 (180 кВт, 550 В, 1485 мин-1), вагонов метро – ВИД-160-1500 (160 кВт, 750 В, 1500 мин-1), трамвая – ВИД-50-1500 (50 кВт, 275 В, 1500 мин-1) [5-7]. Расчетные данные двигателей представлены в табл. 1.

Таблица 1. Расчетные данные ВИД городского транспорта.

Троллейбус ВИД-180-1485	Метро ВИД-160-1500	Трамвай ВИД-50-1500
Мощность, кВт	Р	180	160	50
Напряжение, В	U	550	750	275
Частота вращения, мин-1	n	1485	1500	1500
Номинальный вращающий момент, Нм	M	1157	1018	318
Число фаз обмотки статора	m	3	3	3
Число полюсов статора	Ns	12	12	12
Число зубцов ротора	Nr	8	8	8
Длина пакета статора, мм	Lstk	420	420	280
Внешний диаметр статора, мм	Ds	520	520	320
Диаметр расточки статора, мм	Dsвн	361,2	361,2	220

Разработка выполнена на принципах блочно-модульного проектирования, применение которого обеспечивает минимум производственных и финансовых затрат при переходе на новый, более прогрессивный привод. При блочно-модульном проектировании двигателя выбирается базовый прототип освоенного промышленностью двигателя и сохраняются все необходимые узлы и детали (корпус, вал, подшипники, щиты и т. д.) за исключением разработанных катушек статора, пакетов статора и ротора, а также небольшой доработки вала. Таким образом, ограничениями при такой разработке являются внешний диаметр пакета статора и внутренний диаметр пакета ротора, размеры которых необходимо сохранить при проектировании листов железа статора и ротора. С точки зрения стоимости преобразователя однозначное предпочтение следует отдать трехфазной схеме, вопрос о выборе числа полюсов статора и ротора рассмотрен в [7], где приведены оценки такого выбора для вентильно-индукторных двигателей вагонов метрополитена и троллейбуса.

Основными областями применения РРП кроме электрической тяги являются: замена электродвигателей постоянного и переменного тока, машин с автономным источником питания, асинхронных электродвигателей с фазным ротором; двигателей подъемно-транспортного оборудования с тяжелым режимом эксплуатации (скребковые, пластинчатые и ленточные конвейеры); безредукторный электропривод; высокоскоростные приводы без мультипликатора. Во всех этих областях при применении реактивного регулируемого привода будет обеспечено энергосбережение не только за счет более высокого КПД привода, но и за счет снижения затрат на его производство.

Список литературы

Ильинский, применения вентильно-индукторного электропривода в современных технологиях [Текст] / // Электротехника. – 1997. – №2. – С. 7-9. Ахунов, -индукторный электропривод – перспективы применения [Текст] / , , // Приводная техника. – 2001. – №2. – С. 14-17. Птах, -индукторный реактивный электропривод средней и большой мощности: зарубежный и отечественный опыт [Текст] / // Электротехника: сетевой электронный научный журнал. – 2015. – Т. 2, №3. – С. 23-33. Коломейцев, -индукторный электропривод троллейбуса [Текст] / , , // Труды VIII международной (XIX всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. – 2014. – С. 200-205. Антипов, электромеханические преобразователи энергии для городского транспорта [Текст] / , // Межвуз. тематич. сб. науч. тр. Электромеханические преобразователи энергии. Омский гос. ун-т путей сообщения. – Омск, 2014. – С. 6-11. Антипов, базовых вентильно-индукторных электродвигателей тягового привода для городского электротранспорта (метро, трамвай, троллейбус) [Текст] / , , // Сб. докладов научно-технической конференции АЭН РФ «Актуальные вопросы и перспективы развития электромашиностроения», Москва, 2015. – С. 102-109. Антипов, характеристик базовых вентильно-индукторных электродвигателей тягового привода городского электротранспорта [Текст] / , , // Электричество. – 2016. – №10. – С. 45-52.

– д-р техн. наук, Институт химии силикатов им. РАН (ИХС РАН), ведущий научный сотрудник. *****@***ru. [phone].

– д-р техн. наук, Институт химии силикатов им. РАН (ИХС РАН), зам. директора; ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения», доцент. *****@***nw. ru. [phone].

– Институт химии силикатов им. РАН (ИХС РАН), научный сотрудник. *****@***ru. [phone].

– канд. физ.-мат. наук, Институт химии силикатов им. РАН (ИХС РАН), старший научный сотрудник. *****@***ru. [phone].

__________________________________________________________________________________

ENERGY SAVING BY MEANS OF A SWITCHED RELUCTANCE DRIVE

Antipov V. N., Grozov A. D., Ivanova A. V.

Russia, St. Petersburg, Russian Academy of Sciences, Institute of Silicate Chemistry

Kruchinina I. Yu.

Russia, St. Petersburg, Russian Academy of Sciences, Institute of Silicate Chemistry, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation

The paper substantiates the benefits of a moving rolling stock of urban electric transport on a new, more progressive traction switched reluctance drive implementation. Principles of modular design give the possibility to save the installation-mounting dimensions apply for asynchronous motors and to minimize operational and financial costs. While using switched reluctance drive ensures energy savings, not only due to the higher drive efficiency, but also by reducing the cost of its production.

Key words: switch reluctance motor, traction drive, subway, trolley bus, block-module design, energy saving

Bibliography

1.        Il'inskij, N. F. Perspektivy primeneniya ventil'no-induktornogo ehlektroprivoda v sovremennyh tekhnologiyah [Тekst] / N. F. Il'inskij // EHlektrotekhnika. – 1997. – №2. – S. 7-9.

2.        Ahunov, T. A. Ventil'no-induktornyj ehlektroprivod – perspektivy primeneniya [Тekst] / T. A. Ahunov, L. N. Makarov, M. chkov, N. F. Il'inskij // Privodnaya tekhnika. – 2001. – №2. – S. 14-17.

3.        Ptah, G. K. Ventil'no-induktornyj reaktivnyj ehlektroprivod srednej i bol'shoj moshchnosti: zarubezhnyj i otechestvennyj opyt [Тekst] / G. K. Ptah // EHlektrotekhnika: setevoj ehlektronnyj nauchnyj zhurnal. – 2015. – T. 2, №3. – S. 23-33.

4.        Kolomejcev, V. L. Ventil'no-induktornyj ehlektroprivod trollejbusa [Тekst] / V. L. Kolomejcev, S. A. Pahomin, D. V. Krajnov, L. S. Pahomin, A. I. Prokopec, F. A. Rednov // Trudy VIII mezhdunarodnoj (XIX vserossijskoj) konferencii po avtomatizirovannomu ehlektroprivodu AEHP-2014. – 2014. – S. 200-205.

5.        Antipov, V. N. Perspektivnye ehlektromekhanicheskie preobrazovateli ehnergii dlya gorodskogo transporta [Тekst] / V. N. Antipov, A. D. Grozov // Mezhvuz. tematich. sb. nauch. tr. EHlektromekhanicheskie preobrazovateli ehnergii. Omskij gos. un-t putej soobshcheniya. – Omsk, 2014. – S. 6-11.

6.        Antipov, V. N. Razrabotka bazovyh ventil'no-induktornyh ehlektrodvigatelej tyagovogo privoda dlya gorodskogo ehlektrotransporta (metro, tramvaj, trollejbus) [Тekst] / V. N. Antipov, A. D. Grozov, A. V. Ivanova // Sb. dokladov nauchno-tekhnicheskoj konferencii AEHN RF «Aktual'nye voprosy i perspektivy razvitiya ehlektromashinostroeniya», Moskva, 2015. – S. 102-109.

7.        Antipov, V. N. Issledovanie harakteristik bazovyh ventil'no-induktornyh ehlektrodvigatelej tyagovogo privoda gorodskogo ehlektrotransporta [Тekst] / V. N. Antipov, A. D. Grozov, A. V. Ivanova // EHlektrichestvo. – 2016. – №10. – S. 45-52.

Antipov Victor Nikolaevich – Dr. of Sciences (Engineering), Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences, Leading Researcher. *****@***ru. [phone].

Kruchinina Irina Yurievna – Dr. of Sciences (Engineering), Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences, Deputy Director; Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Associate Professor. *****@***nw. ru. [phone].

Grozov Andrei Dmitrievich – Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences, Researcher. *****@***ru. [phone].

Ivanova Anna V. – PhD (Phys.-Math.), Institute of Silicate Chemistry, Russian Academy of Sciences, Senior Researcher. *****@***ru. [phone].